Белок, существовавший при зарождении жизни на Земле

8 сентября 2018



Как возникла жизнь на Земле? Исследователи из Университете Рутгерса нашли первое и, возможно, единственное убедительное доказательство того, что простые белковые катализаторы, необходимые клеткам для строительства блоков жизни и для функционирования, возможно, существовали с момента появления жизни на нашей планете. Их исследование первичного пептида, или короткоцепочечного белка публикуется в Журнале Американского химического общества.

Исследователи разработали небольшой синтетический белок, который обертывается вокруг металлического кластера, состоящего из железа и серы. Этот белок может быть многократно заряжен и разряжен, что позволяет ему перемещать электроны внутри клетки. Такие пептиды могли существовать и на заре жизни, двигая электроны в ранние метаболические циклы.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов химик Гюнтер Вехтерсхойзер постулировал, что жизнь началась с железа и серосодержащих пород в океане. И Вехтерсхойзер, и многие другие ученые прогнозировали, что короткоцепочечные пептиды будут связывать металлы и служить катализаторами создающей жизнь химии, говорит соавтор исследования Викаса Нанды, доцента в Медицинской школе Роберта Вудсона Джонса Рутгерса. ДНК человека состоит из генов, кодирующих белки длиной от нескольких сотен до нескольких тысяч аминокислот. Эти сложные белки, необходимые для правильного функционирования всех живых существ, являются результатом миллиардов лет эволюции. Когда же жизнь только зарождалась, белки были, вероятно, намного проще, возможно, они были от 10 до 20 аминокислот в длину. С помощью компьютерного моделирования, ученые Рутгерса изучают, как могли выглядеть те ранние пептиды и какими химическими функциями они предположительно обладали, сообщает Нанде. Команда ученых, используя компьютеры, моделировала короткоцепочечный, состоящий из 12 аминокислот, белок, который затем подвергала тщательному тестированию. Этот пептид обладает несколькими необычными и важными свойствами. Он содержит всего лишь два типа аминокислот (а не 20 аминокислот, которые содержатся в миллионах различных белков, необходимых для тех или иных функций современных организмов). Ученые, используя ферментеры/биореакторы создали белок настолько короткий, что теоретически он мог возникнуть спонтанно на ранней Земле, если бы для этого появились нужные условия. Металлический кластер в ядре данного пептида напоминает своей структурой и химическим составом минералы железа и серы, которые были в изобилии представлены в ранних земных океанах. По словам Нанды, преподавателя Центра передовых технологий и медицины, этот пептид также может многократно заряжать и разряжать электроны, не разваливаясь при этом на составляющие.

«Современные белки, называемые ферредоксинами (белки, содержащие железосерные кластеры и являющиеся переносчиками электронов в целом ряде метаболических процессов), делают это, перемещая электроны вокруг клетки, чтобы способствовать метаболизму», — сказал старший автор исследования профессор Пол Фальковски, который возглавляет Лабораторию экологической биофизики и молекулярной экологии Рутгерса. «Доисторический пептид, подобный тому, который мы изучали, возможно, выполнял такую же функцию во времена зарождения жизни». Фальковски является главным исследователем проекта ENIGMA, финансируемого НАСА и выполняемого учеными Университета Рутгерса. Целью проекта является понимание того, как развивались белковые катализаторы в начале жизни. Нанде руководит командой ученых, которая будет заниматься оценкой потенциала первичного пептида, а также изучать другие молекулы, которые потенциально могли сыграть ключевую роль в происхождении жизни. Используя специальные компьютерные программы, ученые Рутгерса разбили и рассекли почти 10000 белков и определили четыре, так называемые, легоса, или блока жизни" (Legos of life) — основные химические структуры, из которых можно образовать бесчисленное число белков всех организмов. Этот маленький первичный пептид может быть предшественником более длинных легосов жизни, и ученые теперь могут экспериментировать с тем, как именно такие пептиды могли функционировать в ранней химии.